Găurile negre și relativitatea generală

Figura 24.O gaură neagră cu masă stelară. În stânga, o imagine în lumină vizibilă arată o regiune a cerului în constelația Cygnus; caseta roșie marchează poziția sursei de raze X Cygnus X-1. Este un exemplu de gaură neagră creată atunci când o stea masivă se prăbușește la sfârșitul vieții sale. Cygnus X-1 se află într-un sistem stelar binar, iar ilustrația artistului din dreapta arată gaura neagră trăgând material de la o stea însoțitoare albastră masivă. Acest material formează un disc (prezentat în roșu și portocaliu) care se rotește în jurul găurii negre înainte de a cădea în ea sau de a fi redirecționat departe de gaura neagră sub formă de jeturi puternice. Materialul din disc (înainte de a cădea în gaura neagră) este atât de fierbinte încât strălucește cu raze X, explicând de ce acest obiect este o sursă de raze X. (Credit stânga: modificarea lucrării DSS; dreapta: modificarea lucrării NASA/CXC/M.Weiss)

Pentru cea mai mare parte a secolului al XX-lea, găurile negre au părut obiecte de science-fiction, portretizate fie ca niște aspiratoare monstru care consumă toate materia din jurul lor fie ca tuneluri de la un univers la altul. Dar adevărul despre găurile negre este aproape chiar mai ciudat decât ficțiunea. Pe măsură ce ne continuăm călătoria în univers, vom descoperi că găurile negre sunt cheia pentru explicarea multor obiecte misterioase și remarcabile, inclusiv stelele prăbușite și centrele active ale galaxiilor gigantice.

Majoritatea stelelor își termină viața ca pitice albe sau stele neutronice. Când o stea foarte masivă se prăbușește la sfârșitul vieții sale, totuși, nici măcar repulsia reciprocă dintre neutronii dens împachetati nu poate susține miezul împotriva propriei sale greutăți. Dacă masa rămasă a nucleului stelei este de aproximativ trei ori mai mare decât cea a Soarelui (M_Soare), teoriile noastre prevăd că nicio forță cunoscută nu o poate opri să se prăbușească pentru totdeauna! Gravitația pur și simplu copleșește toate celelalte forțe și zdrobește miezul până când ocupă un volum infinit de mic. O stea în care se întâmplă acest lucru poate deveni unul dintre cele mai ciudate obiecte prezise vreodată de teorie – o gaură neagră.

Pentru a înțelege cum este o gaură neagră și cum influențează ea mediul înconjurător, avem nevoie de o teorie care să descrie acțiunea gravitației în circumstanțe atât de extreme. Până în prezent, cea mai bună teorie a gravitației este teoria generală a relativității, care a fost prezentată în 1916 de Albert Einstein.

Relativitatea generală a fost una dintre realizările intelectuale majore ale secolului al XX-lea; dacă ar fi muzică, am compara-o cu marile simfonii ale lui Beethoven sau Mahler. Până de curând, însă, oamenii de știință nu aveau nevoie de o teorie mai bună a gravitației. Ideile lui Isaac Newton care au condus la legea gravitației universale (vezi Orbite și gravitație) sunt perfect suficiente pentru majoritatea obiectelor cu care ne confruntăm în viața de zi cu zi. În ultima jumătate de secol, însă, relativitatea generală a devenit mai mult decât o idee frumoasă; acum este esențial pentru înțelegerea pulsarilor, quasarilor (despre care vom discuta în Galaxii active, quasari și găuri negre supermasive) și multe alte obiecte și evenimente astronomice, inclusiv găurile negre pe care le vom discuta aici.

Ar trebui probabil să menționăm că acesta este punctul într-un curs de astronomie în care mulți studenți încep să se simtă puțin nervoși (și poate și-ar fi dorit să fi urmat botanică sau un alt curs legat de pământ pentru a satisface cerințele științei). Acest lucru se datorează faptului că, în cultura populară, Einstein a devenit un simbol al strălucirii matematice care este pur și simplu dincolo de îndemâna majorității oamenilor (Figura 24.2).

Figura 24.2 Albert Einstein (1879–1955). Acest celebru om de știință a devenit un simbol al intelectului înalt în cultura populară.

Așadar, când am scris că teoria relativității generale a fost opera lui Einstein, poate că v-ați îngrijorat puțin, convins că orice a făcut Einstein trebuie să depășească înțelegerea voastră. Această viziune populară este nefericită și greșită. Deși calculele detaliate ale relativității generale implică o bună parte din matematica superioară, ideile de bază nu sunt greu de înțeles (și sunt, de fapt, aproape poetice în modul în care ne oferă o nouă perspectivă asupra lumii). Mai mult decât atât, relativitatea generală depășește faimoasa lege a gravitației „pătratului invers” a lui Newton; ajută la explicarea modului în care materia interacționează cu altă materie în spațiu și timp. Această putere explicativă este una dintre cerințele pe care trebuie să le îndeplinească orice teorie științifică de succes.

Sursa: Astronomy 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing